Una enzima es una proteína con propiedades catalíticas . Casi todas las biomoléculas capaces de catalizar reacciones químicas en las células son enzimas; sin embargo, algunas biomoléculas catalíticas están formadas por ARN y, por lo tanto, son distintas de las enzimas: estas son ribozimas .
Una enzima actúa reduciendo la energía de activación de una reacción química, lo que aumenta la velocidad de reacción . La enzima no cambia durante la reacción. Las moléculas iniciales son los sustratos de la enzima y las moléculas formadas a partir de estos sustratos son los productos de la reacción. Casi todos los procesos metabólicos en la célula requieren que las enzimas avancen a una velocidad suficiente para mantener la vida. Las enzimas catalizan más de 5000 reacciones químicas diferentes. El conjunto de enzimas en una célula determina las posibles vías metabólicas en esa célula. El estudio de las enzimas se llama enzimología .
Las enzimas permiten que las reacciones ocurran millones de veces más rápido que sin ellas. Un ejemplo extremo es la orotidina-5'-fosfato descarboxilasa , que cataliza una reacción en milisegundos que, en su ausencia, tomaría varios millones de años. Como todos los catalizadores, las enzimas no se modifican durante las reacciones que catalizan y no modifican el equilibrio químico entre sustratos y productos. Las enzimas, por otro lado, se diferencian de la mayoría de los otros tipos de catalizadores por su muy alta especificidad . Esta especificidad se deriva de su estructura tridimensional . Además, la actividad de una enzima está modulada por varias otras moléculas: un inhibidor de enzima es una molécula que ralentiza la actividad de una enzima, mientras que un activador de esta enzima la acelera; muchas drogas y venenos son inhibidores de enzimas. Además, la actividad de una enzima disminuye rápidamente fuera de su temperatura y pH óptimos. Además, una enzima tiene la característica de ser reutilizable.
Las enzimas suelen ser proteínas globulares que actúan solas, como la lisozima , o un complejo de varias enzimas o subunidades , como el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa . Como todas las proteínas, las enzimas consisten en una o más cadenas polipeptídicas plegadas para formar una estructura tridimensional correspondiente a su estado nativo . La secuencia en aminoácidos de la enzima determina esta última estructura, cuya estructura, a su vez, determina las propiedades de catalizador de la enzima. Aunque es la estructura de una enzima la que determina su función, todavía no es posible predecir la actividad de una nueva enzima conociendo solo su estructura. La estructura de las enzimas se altera ( desnaturaliza ) cuando se calientan o se ponen en contacto con desnaturalizantes químicos, lo que generalmente las inactiva.
Las enzimas son moléculas mucho más grandes que sus sustratos . Su tamaño varía de 62 residuos para el monómero de 4-oxalocrotonato tautomerasa a más de 2000 residuos para la sintasa de ácidos grasos animales . Solo una parte muy pequeña de la enzima, generalmente entre dos y cuatro residuos, está directamente involucrada en la catálisis, que se denomina sitio catalítico. Este último se encuentra cerca de uno o más sitios de unión, en los que se unen y orientan los sustratos para permitir la catálisis de la reacción química. El sitio catalítico y los sitios de unión forman el sitio activo de la enzima. El resto de la proteína sirve para mantener la configuración del sitio activo y generar allí las condiciones óptimas para el curso de la reacción.
En algunos casos, la catálisis no involucra ninguno de los residuos de aminoácidos de la enzima, sino un cofactor ligado a esta enzima. La estructura de las enzimas también puede contener un sitio de unión para un efector alostérico que provoca un cambio conformacional que activa o inhibe la actividad de la enzima.
Las enzimas primero deben unirse a sus sustratos antes de que puedan catalizar cualquier reacción química . Las enzimas son más o menos específicas con respecto tanto a los sustratos a los que pueden unirse como a las reacciones que son capaces de catalizar. Esta especificidad resulta de la configuración de sus sitios de unión, que son bolsillos que exhiben complementariedad en forma así como distribución espacial de cargas eléctricas y propiedades hidrofílicas / hidrofóbicas con respecto a las del sustrato. Las enzimas pueden así diferenciar entre moléculas muy similares, asegurando su quimioselectividad , regioselectividad y estereoespecificidad .
Algunas de las enzimas más específicas están involucradas en la replicación del ADN y la expresión génica . Algunas de estas enzimas cuentan con un mecanismo de "corrección de pruebas": este es el caso de las ADN polimerasas , que son capaces de corregir sus errores de replicación ( pares de bases incorrectos) antes de pasar al siguiente nucleótido . Este proceso de dos pasos logra una fidelidad particularmente alta, con menos de un error en 100 millones de reacciones en mamíferos . También existen mecanismos similares en las ARN polimerasas , las aminoacil-ARNt sintetasas y los ribosomas . A la inversa , ciertas enzimas exhiben una o más de las llamadas actividades de " promiscuidad ", es decir, pueden catalizar un conjunto de reacciones relacionadas en un conjunto de sustratos que tienen diversas implicaciones fisiológicas. Muchas enzimas tienen actividades catalíticas menores que pueden aparecer incidentalmente y ser el punto de partida para la selección de nuevas funcionalidades durante la evolución .
Modelo de cerradura y llave (obsoleto)Para explicar la especificidad de las enzimas en la selección de las reacciones químicas que son capaces de catalizar, el químico alemán Emil Fischer propuso en 1894 que la enzima y el sustrato de una reacción tienen una geometría complementaria que permite que el sustrato encaje. exactamente en la enzima. Esta representación a menudo se conoce como el "modelo de cerradura y llave". Este modelo explica la especificidad de las enzimas, pero no explica cómo las enzimas logran estabilizar el estado de transición durante las reacciones.
Este modelo ahora se considera obsoleto porque simplifica demasiado la realidad. De hecho, no sería posible que las enzimas tuvieran la misma conformación cuando están enlazadas a su sustrato que cuando no están enlazadas a él.
Modelo de ajuste inducidoEl bioquímico estadounidense Daniel Koshland propuso en 1958 el llamado modelo de ajuste inducido como una adaptación del modelo de cerradura y llave para tener en cuenta el hecho de que las enzimas son moléculas flexibles: en lugar de imaginar anidar un sustrato en una enzima rígida, Koshland creía que la interacción entre el sustrato y la enzima cambia constantemente la forma del sitio activo durante el establecimiento de la unión.
En algunos casos, como las glucósido hidrolasas , el sustrato en sí cambia ligeramente de forma cuando se une al sitio activo de la enzima.
El sitio activo continúa cambiando de configuración hasta que el sustrato está completamente unido y solo entonces se puede determinar la distribución de carga y la geometría final.
Las enzimas pueden acelerar las reacciones químicas de varias formas, pero todas implican reducir la energía de activación , señaló Ea :
Una enzima puede utilizar más de uno de estos mecanismos simultáneamente. Así, las peptidasas como la tripsina implementan catálisis covalente por tríada catalítica , estabilizan la distribución de cargas eléctricas en el estado de transición usando un agujero de oxianión y completan la hidrólisis orientando específicamente una molécula de agua .
Las enzimas no son estructuras rígidas y estáticas. Por el contrario, son el asiento de todo un conjunto de movimientos internos, ya sea el movimiento de residuos de aminoácidos individuales, un grupo de residuos que forman un elemento de la estructura secundaria o incluso un dominio completo.proteína. Estos movimientos dan lugar a un conjunto de estructuras ligeramente diferentes entre sí que se encuentran en equilibrio en perpetua interconversión entre sí. Los diferentes estados conformacionales de la enzima pueden, por ejemplo, estar asociados con diferentes fases de su actividad química. Así, diferentes conformaciones de la dihidrofolato reductasa se asocian durante el ciclo catalítico respectivamente con la unión con el sustrato, con la catálisis, con la liberación del cofactor y finalmente con la liberación del producto.
Los sitios reguladores alostéricos son sitios de unión distintos del sitio activo que pueden interactuar con moléculas en el entorno celular, en este caso llamados efectores alostéricos. La unión de estas moléculas con este sitio induce un cambio conformacional o una modificación de la dinámica interna de la enzima, que alteran las propiedades del sitio activo y consecuentemente modifican la velocidad de reacción de la enzima. Estos cambios pueden activar o inhibir enzimas. Las interacciones alostéricas con metabolitos aguas arriba o aguas abajo de una ruta metabólica en la que participa la enzima provocan bucles de retroalimentación que permiten modular la actividad de la enzima según la intensidad del flujo de metabolitos.
Algunas enzimas no necesitan ningún componente adicional para estar completamente activas. Otros, en cambio, necesitan interactuar con especies químicas no proteicas , llamadas cofactores , para estar activos. Estos cofactores pueden ser inorgánicos como iones metálicos o un grupo hierro-azufre , o bien compuestos orgánicos como una flavina o un hemo . Los cofactores orgánicos pueden ser coenzimas , que se liberan del sitio activo de la enzima durante la reacción, o grupos prostéticos , que permanecen fuertemente unidos a la enzima. Algunos grupos protésicos orgánicos están unidos covalentemente a su enzima , como es el caso de la biotina para enzimas como la piruvato carboxilasa .
La anhidrasa carbónica es un ejemplo del cofactor enzimático zinc unido a su sitio activo. Estos iones o moléculas estrechamente relacionadas con la enzima se encuentran generalmente en el sitio activo y participan en la catálisis . Por lo tanto, una flavina o un hemo se encuentran con frecuencia en las reacciones redox.
Las enzimas que carecen del cofactor que las hace activas se denominan apoenzimas o apoproteínas . Una enzima ligada a sus cofactores se llama holoenzima . Los complejos enzimáticos formados por varias subunidades para las que están presentes todas las subunidades necesarias para la actividad enzimática también se denominan holoenzimas ; este término se usa a menudo para las ADN polimerasas .
Las coenzimas son pequeñas moléculas orgánicas que se pueden unir a la enzima de forma bastante flexible o, a la inversa, muy estrechamente. Llevan grupos funcionales o residuos de una enzima a otra. El NAD + , el NADPH y el ATP son coenzimas. Algunas coenzimas como la riboflavina , la tiamina y el ácido fólico son vitaminas , es decir, compuestos que el organismo no puede sintetizar y deben ser absorbidos como tales a través de la dieta. Entre los grupos químicos transportados por las coenzimas se encuentran el ion hidruro H - transportado por NADH y NADPH, el grupo fosfato –OPO 3 2–transportado por ATP, el grupo acetilo –COCH 3transportado por grupos coenzima A , aldehído –CHO, metenilo –CH = o metilo –CH 3transportado por el ácido fólico, o el grupo metilo transportado por la S -adenosilmetionina (SAM).
Dado que las coenzimas se modifican durante reacciones químicas catalizadas por enzimas, puede ser útil pensar en ellas como sustratos particulares compartidos por muchos tipos de enzimas. Por tanto, se conocen más de 1000 enzimas que utilizan NAD + como coenzima.
Las coenzimas se regeneran continuamente y su concentración se mantiene a un nivel constante en la célula. Por ejemplo, el NADPH se regenera mediante la vía de las pentosas fosfato y la S -adenosilmetionina se regenera mediante la metionina adenosiltransferasa . Esta regeneración permanente significa que se pueden utilizar pequeñas cantidades de coenzimas de forma muy intensiva. Por ejemplo, el cuerpo humano usa y regenera su propio peso en ATP todos los días.
Como ocurre con todos los catalizadores , las enzimas no cambian la posición de equilibrio químico de una reacción. El efecto de la presencia de una enzima es simplemente acelerar la reacción, que tiene lugar en la misma dirección. Así, la anhidrasa carbónica , que cataliza una reacción reversible, actúa en cualquier dirección dependiendo de la concentración relativa de sus reactivos:
La velocidad de reacción depende de la energía de activación requerida para alcanzar, desde los sustratos , el estado de transición, que luego progresa a la formación de los productos de reacción. Las enzimas aceleran la velocidad de reacción al reducir la energía de activación del estado de transición. Comienzan por establecer un enlace enzima-sustrato (ES) de baja energía, luego estabilizan el estado de transición (ES ‡ ) para que requiera menos energía para formarse, y evolucionan este estado de transición hacia un complejo enzima-producto (EP) que se disocia espontáneamente.
Además, las enzimas pueden acoplar dos o más reacciones para permitir que se produzca una reacción termodinámicamente desventajosa usando una reacción termodinámicamente favorecida de manera que la energía combinada de los productos de dos reacciones sea menor que la energía combinada de sus sustratos. Este es muy a menudo el caso de la hidrólisis de ATP , que generalmente va acompañada de otras reacciones químicas, en particular el catabolismo ( biosíntesis ).
La cinética de las enzimas estudia cómo las enzimas se unen a sus sustratos y se convierten en productos de reacción. Los datos cuantificantes de la cinética de una enzima se obtienen generalmente a partir de ensayos enzimáticos (en) . En 1913, la alemana Leonor Michaelis y la canadiense Maud Menten propusieron una teoría cuantitativa de la cinética enzimática, desde entonces llamada ecuación de Michaelis-Menten . Su principal contribución fue diseñar las reacciones enzimáticas en dos etapas. Primero, los sustratos se unen reversiblemente a la enzima, formando un complejo enzima-sustrato. Luego, la enzima cataliza la reacción química y libera los productos de la reacción. Estos trabajos fueron luego perseguidos por los británicos George Edward Briggs (en) y John BS Haldane , quienes se desviaron en las ecuaciones cinéticas que todavía se usan ampliamente en la actualidad.
La velocidad de una enzima depende de las condiciones de la solución y la concentración de sustratos. La velocidad máxima V max de una reacción enzimática se puede determinar aumentando la concentración [ S ] de sustratos hasta que la velocidad de formación de los productos de reacción muestre una meseta, como se muestra al lado. Esta saturación se explica por el hecho de que cuanto más aumenta la concentración de sustratos, más se une este sustrato a las enzimas, por lo que aumenta la concentración de complejos enzima-sustrato y disminuye la concentración de enzima libre; la velocidad máxima de reacción corresponde a la situación en la que todas las enzimas están unidas a sus sustratos de modo que no queda ninguna enzima libre con sitios de unión que ocupar.
Además de la velocidad máxima V max de una enzima, la cantidad de sustrato necesaria para alcanzar una velocidad de reacción dada es otra cantidad importante que caracteriza la actividad de una enzima. Esta cantidad se mide mediante la constante de Michaelis K M , que representa la concentración de sustrato necesaria para que la enzima alcance la mitad de V max . Cada enzima tiene generalmente una K m dada para cada uno de sus sustratos. La velocidad de reacción v a la concentración de sustrato [ S ], correspondiente al aumento en la concentración de producto [ P ], viene dada por la ecuación:
.La constante catalítica , denominada k cat , también llamada número de rotación (TON), representa el número de moléculas de sustrato convertidas en productos por sitio activo y por segundo. Está vinculado a la velocidad máxima V max y a la concentración [ E ] de la enzima por la ecuación V max = k cat [ E ] .
La actividad enzimática se mide en katales , unidad SI definida por 1 kat = 1 mol s −1 , o, más frecuentemente, en unidades enzimáticas , definida por 1 U = 1 µmol · min -1 : estas cantidades representan la cantidad de enzima necesaria tratar una cantidad unitaria de sustrato por unidad de tiempo, en condiciones de funcionamiento que deben especificarse con la medida. De ahí se puede deducir la actividad específica de la enzima, que representa su actividad por unidad de masa, expresada por ejemplo en U · mg -1 .
La eficiencia de una enzima se puede expresar en términos de k cat / K M , que representa la constante de especificidad. Dado que refleja tanto la afinidad por los sustratos como la eficacia de la catálisis, es útil para comparar enzimas entre sí o para comparar la misma enzima con diferentes sustratos.
La cinética de Michaelis-Menten se basa en la ley de acción de masas , que se deriva del supuesto de que la difusión de la materia es libre y que las colisiones entre partículas son aleatorias y descritas por termodinámica . Sin embargo, muchos procesos bioquímicos o celulares se desvían significativamente de estas condiciones debido a la muy alta concentración de especies químicas en el citosol que restringen su libertad de movimiento. La cinética de Michaelis-Menten ha sido objeto de ampliaciones recientes que intentan tener en cuenta estos efectos.
Un inhibidor de enzimas es una pequeña molécula que reduce la velocidad de reacción de una enzima.
Los tipos de inhibición enzimática generalmente se clasifican en las siguientes categorías.
Inhibición competitivaUn inhibidor competitivo puede unirse a la enzima evitando que sus sustratos lo hagan. A menudo es una molécula que se parece a uno de los sustratos y ocupa su lugar en uno de los sitios de unión, pero sin que la enzima pueda catalizar la reacción química con este inhibidor. Por tanto, el metotrexato , un fármaco contra el cáncer , es un inhibidor competitivo de la dihidrofolato reductasa , que cataliza la reducción de dihidrofolato a tetrahidrofolato . Este tipo de inhibición puede evitarse mediante una alta concentración de sustrato. También puede ser una molécula que se une a otro sitio de la enzima e induce cambios conformacionales que modifican las propiedades del sitio de unión al sustrato por efecto alostérico . En consecuencia, la afinidad de la enzima por sus sustratos disminuye y su constante de Michaelis K M aumenta, mientras que su velocidad máxima V max permanece sin cambios.
Inhibición no competitivaUn inhibidor no competitivo se une a la enzima en un sitio independiente de los sitios de unión del sustrato. Por tanto, estos se unen a la enzima con una afinidad sin cambios, de modo que la constante de Michaelis K M permanece sin cambios. Sin embargo, el inhibidor reduce la eficacia de la enzima, es decir, su constante catalítica k cat y, por tanto, su velocidad máxima V max . A diferencia de la inhibición competitiva, la inhibición no competitiva no se reduce aumentando la concentración del sustrato.
Inhibición competitivaUn inhibidor incompetitivo solo puede unirse al complejo enzima-sustrato y no solo a la enzima. Por tanto, este tipo de inhibidor es tanto más eficaz cuanto mayor es la concentración de sustratos. El complejo enzima-sustrato-inhibidor es inactivo y no puede catalizar la conversión de sustratos en productos. Este tipo de inhibición sigue siendo poco común.
Inhibición mixtaUn inhibidor mixto se une a un sitio alostérico distinto del sitio de unión del sustrato en la enzima, y estos dos enlaces interactúan entre sí. La funcionalidad de la enzima se reduce pero no se elimina cuando se une al inhibidor. Este tipo de inhibidor no sigue la ecuación de Michaelis-Menten .
Inhibición irreversibleUn inhibidor irreversible, también llamado inhibidor suicida, se une a la enzima para inhibirla permanentemente, generalmente a través de un enlace covalente . La penicilina y la aspirina actúan de esta manera, respectivamente, sobre la transpeptidasa y las ciclooxigenasas .
En muchos seres vivos, los inhibidores de enzimas están involucrados como parte de un mecanismo de retroalimentación metabólica general . Cuando una molécula se produce en exceso, puede actuar como inhibidor de la enzima que activa la vía metabólica que produce esta molécula, lo que tiene el efecto de reducir su producción y mantener su concentración fisiológica en un nivel adecuado. Esta es una forma de retractación negativa. Las principales vías metabólicas, como el ciclo de Krebs, utilizan tales mecanismos.
Dado que los inhibidores modulan la actividad de ciertas enzimas, se utilizan con frecuencia como fármacos . Muchos fármacos son inhibidores competitivos reversibles que se asemejan al sustrato natural de estas enzimas. Además del metotrexato presentado anteriormente, tales inhibidores competitivos son, por ejemplo, estatinas utilizadas para tratar la hipercolesterolemia mediante la inhibición de la HMG-CoA reductasa y los inhibidores de proteasa utilizados para tratar infecciones por retrovirus como el VIH . Un ejemplo clásico es la inhibición irreversible de la aspirina , que inhibe la ciclooxigenasa COX-1 y la COX-2, que producen mensajeros de inflamación que son las prostaglandinas .
Otros inhibidores de enzimas son venenos . Este es el caso, por ejemplo, del cianuro CN - , que se une al cobre y al hierro en el sitio activo de la citocromo c oxidasa y bloquea la respiración celular .
Las enzimas realizan una gran cantidad de funciones en los seres vivos. Son esenciales para los mecanismos de transducción de señales y la regulación de los procesos celulares, a menudo a través de la actividad de quinasas y fosfatasas . También intervienen en la generación de movimientos, como la miosina que hidrólisis del ATP en la contracción muscular y permite el transporte de moléculas a través de la célula actuando sobre el citoesqueleto . Las bombas de iones de las membranas celulares son otras ATPasas implicadas en el transporte activo transmembrana. Las enzimas también intervienen en procesos más exóticos como la bioluminiscencia producida, por ejemplo, por la luciferasa en las luciérnagas , o incluso por determinadas bacterias . Los virus contienen enzimas que a su vez les permiten infectar células, como la integrasa y la transcriptasa inversa del VIH , o salir de las células infectadas como la neuraminidasa del virus de la gripe .
Las enzimas juegan un papel importante en la unidad digestiva humana , donde enzimas como la amilasa y la peptidasa participan en la degradación de biopolímeros como el almidón y las proteínas en moléculas más pequeñas que pueden ser absorbidas en los intestinos , respectivamente maltosa (luego glucosa ) y ácidos α-amino. en nuestro ejemplo. Las macromoléculas orgánicas son de hecho demasiado grandes para ser absorbidas directamente, y son sus monómeros los que se absorben. La digestión cubre específicamente el proceso de escisión de macromoléculas en moléculas pequeñas. Se necesitan diferentes enzimas para digerir diferentes sustancias. En los rumiantes , que son herbívoros , los microorganismos del intestino producen una enzima especial, la celulasa , capaz de escindir la celulosa de la pared celular de las células vegetales.
Varias enzimas pueden trabajar juntas en un orden definido para formar rutas metabólicas : en tal configuración, un producto de una enzima se convierte en un sustrato para la siguiente enzima. Es posible que varias enzimas catalicen la misma reacción en paralelo; esto permite modos de regulación más complejos con, por ejemplo, una constante de baja actividad para una enzima pero una segunda enzima que puede alcanzar un alto nivel de actividad cuando se activa.
Las enzimas determinan las etapas de las vías metabólicas. En ausencia de enzimas, el metabolismo no seguiría los mismos caminos y no podría regularse para estar en coherencia con las necesidades de la célula. La mayoría de las principales vías del metabolismo se controlan en unos pocos pasos clave, generalmente en enzimas que requieren la hidrólisis de ATP . Al ser esta reacción fuertemente exotérmica (es decir que va acompañada de una variación de alta entalpía libre ), se puede acoplar a una reacción endotérmica (es decir, acompañada de 'una variación de entalpía libre negativa) para hacer termodinámicamente favorable.
Básicamente, existen cinco formas de controlar la actividad de las enzimas en las células.
Las enzimas pueden ser activadas o inhibidas por otras moléculas. El (los) producto (s) final (s) de una vía metabólica son a menudo inhibidores de una de las primeras enzimas en esa vía, normalmente la primera enzima que cataliza un paso irreversible, que regula la cantidad del producto final; es un mecanismo de retroalimentación, ya que la cantidad de producto final está regulada por la propia concentración de este producto. La retroalimentación permite ajustar eficientemente el nivel de biosíntesis de un conjunto de metabolitos intermedios según las necesidades de la célula, evitando la producción de moléculas en exceso que se perderían y reduciendo la eficiencia global del metabolismo celular.
La fosforilación , miristoilación y glicosilación son ejemplos de modificaciones postraduccionales . Así, la fosforilación, inducida por la insulina , de muchas enzimas, incluida la glucógeno sintasa , permite controlar el anabolismo y catabolismo del glucógeno y permite que la célula se adapte a las variaciones de azúcar en sangre .
Otro ejemplo de modificación postraduccional es la escisión de una cadena polipeptídica . La quimotripsina , una peptidasa digestiva, se produce en el páncreas en una forma inactiva llamada quimotripsinógeno y se transporta de esta forma al estómago donde se activa. Esto es para evitar que la quimotripsina activa digiera otros tejidos antes de ingresar al estómago. Este tipo de precursor inactivo de una enzima es un zimógeno .
La célula puede aumentar o disminuir la producción de enzimas en respuesta a cambios en su entorno. Esta forma de regulación de la expresión génica se denomina inducción enzimática. Es el caso, por ejemplo, de bacterias que se vuelven resistentes a los antibióticos , por ejemplo a la penicilina por inducción de unas enzimas denominadas β-lactamasas , que hidrolizan el núcleo β-lactámico que es precisamente el farmacóforo de este tipo de antibióticos. Las oxidasas del citocromo P450 son otro ejemplo de inducción enzimática. Estas enzimas juegan un papel importante en el metabolismo de muchos fármacos y su inducción o inhibición puede dar lugar a interacciones farmacológicas .
La cantidad de enzimas presentes en una célula también puede modularse mediante su degradación .
La distribución intracelular de enzimas puede compartimentarse, con diferentes vías metabólicas que tienen lugar en diferentes compartimentos celulares . Así, los ácidos grasos son producidos por un conjunto de enzimas distribuidas en el citosol , el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi , y se degradan para liberar energía química por β-oxidación bajo el efecto de otro conjunto de enzimas ubicadas en las mitocondrias . Además, los diferentes compartimentos de una célula experimentan diferentes niveles de protonación (p. Ej., Los lisosomas son ácidos cuando el citoplasma es neutro) o diferentes niveles de oxidación (p. Ej., El periplasma es más oxidante que el citoplasma ), lo que también modula el nivel de actividad de las enzimas que contiene.
En los organismos multicelulares , las células de diferentes órganos o tejidos exhiben diferentes patrones de expresión génica y, por lo tanto, producen diferentes variantes, llamadas isoenzimas , del mismo conjunto de enzimas, catalizando diferentes reacciones metabólicas. Esto proporciona un mecanismo para regular el metabolismo general del cuerpo. Así, la hexoquinasa , la primera enzima de la glucólisis , tiene una forma especializada, glucoquinasa , expresada en el hígado y en el páncreas , cuya afinidad por la glucosa es menor pero más sensible a las variaciones en la concentración de glucosa. Esto permite que esta enzima regule la producción de insulina en función de los cambios en el azúcar en sangre .
Dado que un control muy estrecho de la actividad enzimática es esencial para la homeostasis del organismo, cualquier disfunción ( mutación , sobreproducción, subproducción o ausencia) de una sola enzima crítica puede causar una enfermedad genética . La disfunción de un solo tipo de enzima entre los miles del cuerpo humano puede ser fatal: es por ejemplo el caso de una deficiencia de hexosaminidasa , responsable de la enfermedad de Tay-Sachs .
La forma más común de fenilcetonuria es otro ejemplo de una enfermedad resultante de la deficiencia de enzimas. Muchas mutaciones que no afectan a cada residuo de aminoácido de la fenilalanina hidroxilasa , que cataliza el primer paso en la degradación de la fenilalanina , conducen a la acumulación de este aminoácido y productos relacionados. Algunas de estas mutaciones afectan el sitio activo , alterando directamente la unión del sustrato y la catálisis, pero muchas otras mutaciones afectan a los residuos alejados del sitio activo y reducen la actividad enzimática al alterar el plegamiento de la enzima ( estructura terciaria ) o afectar su oligomerización ( estructura cuaternaria ). . Esto puede conducir a una discapacidad mental si no se atiende la enfermedad. La administración oral de enzimas puede tratar ciertas deficiencias enzimáticas funcionales como la insuficiencia exocrina pancreática (en) y la intolerancia a la lactosa .
Las enfermedades pueden ser el resultado de otros tipos de disfunción enzimática cuando afectan las enzimas que reparan el ADN , provocando mutaciones en las células germinales . Es más probable que tales defectos enzimáticos causen cáncer porque las células se vuelven más sensibles a las mutaciones en su genoma . La lenta acumulación de tales mutaciones puede conducir a la aparición de cánceres . Un ejemplo de estos síndromes de cáncer hereditarios es el xeroderma pigmentoso , que conduce al desarrollo de cáncer de piel como resultado de una exposición incluso mínima a la luz ultravioleta .
Algunas enzimas se utilizan en la industria química y para otras aplicaciones industriales cuando se requieren catalizadores muy específicos. Sin embargo, las enzimas naturales están bastante limitadas desde el punto de vista de las reacciones que pueden catalizar, porque son reacciones específicas del metabolismo de los seres vivos y no de la industria química en general; las enzimas también son activas en las condiciones fisicoquímicas fisiológicas de los organismos de los que se originan, condiciones que a menudo difieren de las implementadas en el marco de los procesos industriales. En consecuencia, la ingeniería de proteínas (in) es un área activa de investigación que tiene como objetivo el desarrollo de nuevas enzimas con propiedades innovadoras, ya sea a través del diseño racional o por evolución in vitro . Desde el cambio de siglo, las enzimas se han podido diseñar de una manera completamente artificial para catalizar reacciones químicas que no ocurren naturalmente.
La siguiente tabla resume algunas aplicaciones industriales de algunas enzimas comunes.
La primera enzima, diastasa , fue aislada en 1833 por Anselme Payen y Jean-François Persoz . Después de tratar un extracto acuoso de malta con etanol , precipitaron una sustancia sensible al calor y capaz de hidrolizar el almidón , de ahí su nombre de diastasa forjado del griego antiguo ἡ διάστασις que denota la acción de escindir. En realidad, fue una amilasa .
El biólogo y químico Émile Duclaux (1840-1904) se propugna en la tarde XIX XX siglo para nombrar las mismas sustancias activas en la diastasa con el sufijo -asa en referencia a este último.
Unas décadas más tarde, mientras estudiaba la fermentación alcohólica del azúcar por una levadura , Louis Pasteur concluyó que un ingrediente activo, al que llamó fermento , contenido en la levadura era el responsable de esta fermentación. Consideró que esta sustancia solo estaba activa en una célula viva. Pasteur escribió:
“La fermentación alcohólica es un acto que se correlaciona con la vida y organización de las células de levadura, no con la muerte o putrefacción; que tampoco es un fenómeno de contacto, un caso en el que la transformación del azúcar se llevaría a cabo sin abandonarlo ni quitarle nada. "
En 1877, el fisiólogo alemán Wilhelm Kühne ( 1837-1900) introdujo el término enzima en referencia a este proceso, del griego antiguo ἔνζυμον acuñado por el prefijo ἐν "en" y el sustantivo ἡ ζύμη " levadura ". Posteriormente, la palabra enzima se refirió a sustancias activas no vivas como la pepsina , mientras que la palabra fermento se utilizó en referencia a la actividad química producida por los seres vivos.
En 1883, el biólogo y químico francés Antoine Béchamp publicó Les microzymas , una obra en la que teorizó su concepto de “ microzimas (en) ” como los constituyentes últimos de toda materia viva; en esta ocasión utilizó el término zymase .
El químico alemán Eduard Buchner publicó su primer artículo sobre el estudio de los extractos de levadura en 1897. En una serie de experimentos en la Universidad Humboldt de Berlín , descubrió que el azúcar podía fermentarse mediante extractos de levadura, incluso en ausencia de cualquier célula de levadura en la mezcla. , y en 1907 fue galardonado con el Premio Nobel de Química por su descubrimiento de la fermentación sin células vivas. Llamó a la enzima responsable de la fermentación zimasa , retomando la construcción del nombre de las enzimas haciendo referencia al proceso que catalizan al que se le añade el sufijo -asa , siguiendo las recomendaciones de Émile Duclaux unos años antes.
La naturaleza bioquímica de las enzimas, sin embargo, sigue siendo desconocido al inicio del XX ° siglo. Muchos científicos habían observado que la actividad enzimática estaba asociada con las proteínas , mientras que otros (incluido Richard Willstätter , Premio Nobel de Química en 1915 por su trabajo sobre la clorofila ) consideraban a las proteínas como simples vehículos de actividad enzimática, por ser incapaces de catalizar reacciones químicas por sí mismas. En 1926, James B. Sumner demostró que la ureasa era una enzima de naturaleza puramente proteica y la cristalizó ; hizo lo mismo en 1937 con catalasa . John Howard Northrop y Wendell Meredith Stanley completaron el establecimiento de la naturaleza proteica de las enzimas trabajando con pepsina (1930), tripsina y quimotripsina . Estos tres investigadores compartieron el Premio Nobel de Química de 1946.
El hecho de que las enzimas se pueden cristalizar hizo posible establecer su estructura tridimensional por cristalografía de rayos X . Esto se hizo por primera vez con lisozima , una enzima que se encuentra en las lágrimas , la saliva y la clara de huevo que digiere la envoltura de ciertas bacterias : su estructura fue resuelta por un equipo liderado por David Chilton Phillips ( fr ) y publicada en 1965. El alto Resolución El establecimiento de la estructura de la lisozima marcó los inicios de la biología estructural y el estudio del funcionamiento de las enzimas a escala atómica.
El comité de nomenclatura de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular ( NC-IUBMB ) desarrolló la nomenclatura CE (para la Comisión de Enzimas ), basada en el tipo de reacciones químicas catalizadas . Esta nomenclatura se compone de cuatro números separados por puntos, asociados a un solo nombre sistemático; por ejemplo, la α-amilasa tiene el número EC y el nombre sistemático 4-α- D -glucano glucanohidrolasa. El nombre sistemático rara vez se usa: generalmente son nombres de uso preferidos, una enzima puede tener varios nombres, algunos de los cuales a veces son ambiguos.
Las enzimas se clasifican en seis grupos principales, según el tipo de reacción que catalizan:
Grupo | Codificado | Tipo de reacción |
---|---|---|
Oxidorreductasias | EC 1 | Reacción de oxidación-reducción |
Transferasas | EC 2 | Transferencia de grupos funcionales de un sustrato a otro |
Hidrolasas | EC 3 | Hidrolisis |
Lyases | EC 4 | Ruptura de diferentes enlaces químicos por medios distintos a la hidrólisis u oxidación. |
Isomerasas | EC 5 | Isomerizaciones |
Ligasas o sintetasas | EC 6 | Formaciones de enlaces covalentes acoplados a la hidrólisis de un nucleósido trifosfato (generalmente ATP ) |
Un número de CE se refiere a una reacción química determinada, pero no a una molécula determinada: el mismo número de CE puede corresponder a varias isoenzimas , es decir, a varias proteínas que catalizan la misma reacción química pero que tienen diferentes secuencias de péptidos. Por ejemplo, el caso de todas las ADN polimerasas , que comparten el número EC - mientras que la misma enzima puede tener varios números EC cuando la proteína que la constituye lleva varios sitios activos que catalizan diferentes reacciones químicas - por ejemplo, hablamos de un bifuncional enzima cuando la misma proteína cataliza dos reacciones químicas, como la uridina monofosfato sintetasa (UMPS) que lleva una subunidad orotato fosforribosiltransferasa ( EC ) y una subunidad orotidina-5 '-fosfato descarboxilasa ( EC ) .
El nombre de las enzimas se refiere más a menudo a uno o más de sus sustratos , a veces al tipo de reacción química catalizada, y muy a menudo con el sufijo -asa , a veces con el sufijo -in .
La lactasa , la alcohol deshidrogenasa , la ADN polimerasa , la triosafosfato isomerasa , la papaína , la pepsina y la tripsina son ejemplos de nombres de enzimas.
Por tanto, la glucosa oxidasa es una enzima que cataliza la oxidación de la glucosa , mientras que la almidón sintasa cataliza la biosíntesis del almidón . Varias enzimas que catalizan la misma reacción química se denominan isoenzimas .
En cuanto a las peptidasas , existe una clasificación complementaria desarrollada por el Centro Sanger , basada en la secuenciación de proteínas . Agrupa las enzimas en familias, mostrando secuencias ácido-amino similares. La primera letra de la clasificación corresponde al tipo de peptidasa: A para aspárticas proteasas , S para cisteína proteasas , etc. .
Los nombres de las enzimas son casi todos del género femenino; la excepción de la lisozima y las ribozimas , aunque el sufijo -zima proviene del griego antiguo ἡ ζύμη (" levadura "), que era el género femenino.
La palabra enzima se usó originalmente (en 1897 ) en femenino, por ejemplo en el Boletín de la sociedad química o en el de la Academia de ciencias, etc.). Según Larousse, es femenino o, a veces masculino, al igual que sus compuestos (por ejemplo coenzima , lo mismo para el tesoro de la lengua francesa , pero el uso hace que se utilice cada vez más en masculino). Fue escrito por primera vez en 1900 por un holandés que escribía en francés, luego por los químicos franceses Bourquelot y Herissey, luego cada vez más a menudo entre 1925 y 1940. En 1957, cuando los artículos ya científicos apenas usaban más que el masculino, los académicos del Comité de Lenguaje Científico están analizando el tema, decidiendo primero por el femenino. Pero en una petición 257 firmantes protestan contra esta elección, alegando por el contrario el uso del masculino. de cuestionar la decisión de la Academia, que en 1968 seguía debatiéndose los argumentos gramaticales y la tendencia popular a utilizar el género masculino. Según el archivero y paleógrafo Eugène-Humbert Guitard (en 1968) "bajo el i Influencia del inglés, cada vez son más los científicos que hacen y harán que la enzima sea masculina ” .